مدار تقویت کننده (آمپلی فایر) صوتی کلاس D با ماسفت

محتوای صوتی از دهه های پیشین تا امروز مسیری طولانی را طی کرده است. از امپلی فایر لامپ کلاسیک تا پخش کننده های موسیقی امروزی و مدرن، پیشرفت های تکنولوژی نحوه مصرف رسانه دیجیتالی را تغییر داده است. از میان تمام ابداعات، پخش کننده های موسیقی قابل حمل به دلیل کیفیت بالای صدا وعمر طولانی باتریشان، به انتخاب اول مصرف کنندگان تبدیل شده اند. بیایید ببینیم که عملکرد این پخش کننده چگونه است و چگونه میتواند صدایی با این کیفیت تولید کند. به عنوان یک مشتاق و علاقه مند به حوزه الکترونیک، همواره این سوال به ذهنم خطور میکند. علیرغم پیشرفت های موجود در تکنولوژی بلندگو، پیشرفت و بهبود روش های استفاده شده در تقویت کننده ها نقش بزرگی ایفا کرده و پاسخ واضح به این سوال، تقویت کننده کلاس D است. در این پروژه، از فرصت استفاده کرده و به توضیح تقویت کننده کلاس D و همچنین مزایا و معایب آن میپردازیم. در نهایت نیز یک نمونه اولیه سخت افزاری از این تقویت کننده ساخته و کارایی آن را مورد آزمایش قرار میدهیم. جالب به نظر میرسد، نه؟ پس بیایید بدون معطلی به سراغ پروژه خود برویم.

اگر علاقه مند به مدارهای تقویت کننده صوتی هستید، میتوانید مقالات مرتبط بیشتری را در این سایت مطالعه کنید. ما در این مقالات با استفاده از آپ امپ ها، ماسفت ها و تراشه هایی مانند TDA2030، TDA2040، TDA2050 مدارهایی ساخته ایم.

اساس تقویت کننده کلاس D

تقویت کننده یا امپلی فایر صوتی کلاس D چیست؟

ساده ترین پاسخ این است که امپلی فایر کلاس D در واقع یک تقویت کننده سوئیچینگ است. اما برای درک عملکرد آن باید ببینیم که چگونه کار میکند وهمچنین سیگنال سوئیچینگ چگونه تولید میشود. برای این منظور، میتوانید بلوک دیاگرام زیر را دنبال کنید.

حال چرا این تقویت کننده، یک تقویت کننده سوئیچینگ است؟ پاسخ این سوال به میزان بازدهی مربوط است. در مقایسه با تقویت کننده های کلاس A، B، AB، تقویت کننده صوتی کلاس D میتواند به بازدهی 90 تا 95 درصد دست پیدا کند. این درحالی است که حداکثر بازده یک تقویت کننده کلاس AB میتواند از 60 تا 65 درصد تغییر کند. زیرا که تقویت کننده کلاس D در محدوده فعال و active کار کرده و توان اتلافی کمی دارد. با ضرب کردن ولتاژ کلکتور-امیتر در جریان و محاسبه توان، میتونید این امر را بهتر درک کنید. برای مطالعه بیشتر، مقاله “کلاس های تقویت کننده توان” را بررسی کنید. ما در این مقاله تمام ضرایب اتلاف مربوطه را بررسی کرده ایم.

حال به بلوک دیاگرام ساده شده امپلی فایر کلاس D خود برمیگردیم. همانگونه که مشاهده میکنید، در ترمینال non-inverting ورودی صوتی و در ترمینال inverting، سیگنال مثلثی فرکانس بالا را داریم. در این نقطه، زمانیکه ولتاژ سیگنال صوتی ورودی بیشتر از ولتاژ موج مثلثی است، خروجی مقایسه کننده HIGH میشود و زمانیکه سیگنال LOW است، خروجی نیز LOW است. ما در واقع با این روش سیگنال صوتی ورودی را با یک سیگنال حامل فرکانس بالا مدل کردیم که در ادامه به تراشه ای متصل خواهد شد که وظیفه درایو کردن گیت ماسفت را بر عهده دارد. همانطور که از نام آن پیداست، درایور برای درایو کردن دو ماسفت برای هر دو   low sideو high side به کار گرفته میشود. در خروجی یک موج مربعی فرکانس بالا و قوی داریم که از یک فیلتر پایین گذر عبور کرده و سیگنال صوتی نهایی را به ما تحویل میدهد.

قطعات مورد نیاز برای ساخت مدار تقویت کننده صوتی کلاس D

حال که اصول و اساس یک امپلی فایر کلاس D را آموختیم، میتوانیم به سراغ لیست قطعات موردنیاز برای ساخت یک تقویت کننده کلاس D خانگی برویم. از آنجاییکه این پروژه، آزمایشی ساده است، قطعات موردنیاز نیز بسیار معمولی هستند. به طوریکه میتوانید آن ها را به راحتی در فروشگاه های سرگرمی محله خود بیابید. میتوانید لیست قطعات موردنیاز را در تصویر زیر مشاهده کنید.

لیست قطعات موردنیاز برای ساخت تقویت کننده توان کلاس D

• یک عدد تراشه IR2110
• یک عدد آپ امپ LM358
• یک عدد تراشه تایمر NE555
• یک عدد تراشه LM7812
• یک عدد تراشه LM7805
• یک عدد خازن 102 پیکوفارادی
• یک عدد خازن 103 پیکوفارادی
• دو عدد خازن 104 پیکوفارادی
• یک عدد خازن 105 پیکوفارادی
• یک عدد خازن 224 پیکوفارادی
• یک عدد خازن 22 میکروفارادی
• یک عدد خازن 470 میکروفارادی
• یک عدد خازن 220 میکروفارادی
• دو عدد خازن 100 میکروفارادی
• یک عدد مقاومت 2.2 کیلواهمی
• دو عدد مقاومت 10 کیلواهمی
• دو عدد مقاومت 10R
• یک عدد جک صوتی 3.5 میلی متر
• دو عدد کانکتور با فاصله 5.08 میلی متر
• سه عدد دیود UF4007
• دو عدد ماسفت IRF640
• یک عدد پتانسیومتر 10 کیلواهمی
• یک عدد سلف 26 میکروهانری
• یک عدد جک هدفون 3.5 میلی متر

شماتیک- تقویت کننده صوتی کلاس D

شماتیک مدار تقویت کننده کلاس D، در تصویر زیر نشان داده شده است:

ساخت مدار روی پرف بورد

همانگونه که میتوانید در تصویر اصلی مشاهده کنید، مدار را روی یک پرف بورد ساخته ایم. زیرا که اولا این مدار بسیار ساده است و ثانیا اگر در اجرای پروژه مشکلی پیش آمد، میتوان به راحتی و به سرعت آن را تصحیح کرد. بیشتر اتصالات را به کمک سیم های مسی برقرار کرده ایم اما در مراحل نهایی، از چند سیم هوک آپ برای اتمام ساختار استفاده کرده ایم. مدار نهایی ساخته شده روی پرف بورد را میتوانید در تصویر زیر مشاهد کنید.

عملکرد تقویت کننده صوتی کلاس D

در این بخش، به سراغ تمام بلوک های اصلی مدار رفته و هر کدام را به صورت جداگانه بررسی میکنیم. این آپ امپ مبتنی بر امپلی فایر صوتی کلاس D، از قطعات کاملا معمولی و دردسترسی ساخته شده که میتوانید آن ها را در فروشگاه سرگرمی محله خود بیابید.

رگولاتورهای ولتاژ ورودی:

کار خود را با رگوله یا تنظیم کردن ولتاژ ورودی توسط LM7805، یک رگولاتور 5 ولتی و یک LM7812، یک رگولاتور ولتاژ 12 ولتی آغاز میکنیم. اهمیت رگوله کردن ولتاژ در این است که ما مدار را با یک آداپتور 13.5V DC تغذیه خواهیم کرد. درحالیکه برای تغذیه و راه اندازی تایمر NE555 و تراشه IR2110 به منبع تغذیه 5 ولت و 12 ولت نیاز داریم.

ژنراتور موج مثلثی با مولتی ویبراتور  Astable  555:

همانگونه که میتوانید در تصویر بالا مشاهده کنید، از یک تایمر 555 و یک مقاومت 2.2 کیلواهمی برای تولید سیگنال مثلثی 260 کیلوهرتز استفاده میکنیم. اگر علاقه مند به مطالعه بیشتر در مورد مولتی ویبراتور Astable هستید، مقاله قبلی ما ” مدار مولتی ویبراتور astable مبتنی بر تایمر 555″ را بررسی کنید. در این مقاله، تمامی محاسبات ضروری توضیح داده شده است.

مدار مدلاسیون:

همانگونه که میتوانید در تصویر بالا مشاهده کنید، از آپ امپ LM358 ساده برای مدوله کردن سیگنال صوتی ورودی استفاده شده است. دو مقاومت ورودی 10 کیلواهمی را برای دریافت سیگنال صوتی به کار برده ایم. از آنجاییکه از یک منبع تغذیه استفاده میکنیم، یک پتانسیومتر را متصل کرده ایم تا سیگنال صفر موجود در ورودی صوتی را جبران کند. زمانیکه سیگنال صوتی ورودی از موج مثلثی ورودی بیشتر شود، خروجی این مقایسه کننده HIGH خواهد بود. در خروجی نیز یک موج مربعی مدوله شده به دست می آید که در ادامه به عنوان ورودی به تراشه درایور گیت ماسفت داده خواهد شد.

تراشه درایور گیت ماسفت IR2110

از آنجاییکه با فرکانس های تقریبا بالا سروکار داریم، یک تراشه گیت درایور را برای درایو مناسب ماسفت به کار برده ایم. تمامی مدارو اتصالات ضروری مطابق دیتاشیت تراشه IR2110 انجام شده است. برای عملکرد مناسب، این تراشه به معکوس سیگنال ورودی نیاز دارد؛ به همین دلیل است که از یک BF200 استفاده کرده ایم. BF200 یک ترانزیستور فرکانس بالاست که از روی سیگنال ورودی، موج مربعی معکوس شده آن را تولید میکند.

خروجی ماسفت:

همانگونه که میتوانید در تصویر بالا مشاهده کنید، خروجی ماسفت همان خروجی اصلی درایور است. از آنجاییکه با فرکانس بالا و سلف ها کار میکنیم، همیشه در پروژه حالت گذرا دخیل خواهد بود. به همین دلیل از چند UF4007 به عنوان دیودهای فلای بک استفاده شده تا از آسیب رسیدن به ماسفت ها جلوگیری شود.

فیلتر پایین گذر LC:

خروجی درایور ماسفت، یک موج مربعی فرکانس بالاست. این سیگنال برای درایو کردن بارهایی مانند بلندگو مناسب نیست. برای جلوگیری از این موضوع، از یک سلف 26 میکروفارادی به همراه یک خازن الکترولیتی غیرپلاریزه 1 میکروفارادی برای ساخت فیلتر پایین گذر استفاده کرده ایم. این خازن با C11 نشان داده شده است.

تا اینجا نحوه عملکرد مدار ساده خود را توضیح دادیم.

تست مدار تقویت کننده کلاس D

همانگونه که میتوانید در تصویر بالا مشاهده کنید، از یک آداپتور 12 ولتی برای تغذیه مدار استفاده کرده ام. از آداپتور چینی مقرون به صرفه استفاده میکنم که میتواند ولتاژ کمی بالاتر از 12 ولت، 13.5 ولت به صورت دقیق را فراهم کند که برای رگولاتور ولتاژ LM7812 ما عالی است. از یک اسپیکر 5 وات 4 اهمی به عنوان بار استفاده کردم. همچنین ورودی صوتی را با جک صوتی 3.5 میلی متری از لپ تاپ خود گرفتم. زمانیکه مدار روشن شد، هیچگونه صدایی که ممکن در انواع دیگر تقویت کننده ها به گوش برسد وجود ندارد، اما همانگونه که میتوانید در ویدیو مشاهده کنید، این مدار آنچنان هم عالی و کامل نیست و در ورودی های سطح بالاتر با مشکل کلیپینگ روبه روست. به همین دلیل است که میگویم این مدار میتواند بسیار رشد کند. هنگامیکه بارهای پایین را درایو میکردم، ماسفت ها به هیچ عنوان داغ نشده و درنتیجه برای این آزمایش به هیچگونه هیت سینکی (فرآیند گرمازدایی) نیاز نیست.

توسعه های بیشتر

این مدار امپلی فایر کلاس D، یک نمونه اولیه ساده است و همچنان قابلیت رشد و ارتقا دارد. مشکل اصلی من با این مدار در تکنیک نمونه برداری بود که نیاز به بهبود دارد. به منظور کاهش کلیپینگ در امپلی فایر نیاز است که با محاسبه مقدار دقیق سلف و خازن یک فیلتر پایین گذر دقیق و مناسب بسازیم. طبق معمول میتوانیم برای عملکرد بهتر، این مدار را روی PCB بسازیم. همچنین میتوان به این مدار یک مدار محافظ نیز اضافه کرد که آن را در برابر گرمای بیش از حد یا اتصال کوتاه محافظت کند.

امیدوارم این مقاله را دوست داشته باشید و نکته تازه ای از آن آموخته باشید. در صورت وجود هر گونه سوال یا مشکلی درباره این پروژه، لطفا آن را در قسمت نظرات یا فروم مطرح کنید. ما نیز سعی میکنیم با جزئیات به آن ها پاسخ دهیم.